Gli ingegneri biomedici hanno costruito macchine semplici con il DNA, costituito da array le cui unità commutano in modo reversibile tra due forme diverse.

Gli inventori degli array affermano che potrebbero essere sfruttati per realizzare sensori o amplificatori nanotecnologici. potenzialmente, potrebbero essere combinati per formare porte logiche, le parti di un computer molecolare.

Le proprietà degli array sono programmate per la pubblicazione online da Scienza .

Le macchine del DNA possono trasmettere bit discreti di informazioni attraverso lo spazio o amplificare un segnale, afferma l'autore senior Yonggang Ke, dottorato di ricerca, un assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica di Wallace H. Coulter presso la Georgia Tech and Emory.

"Nel campo dell'informatica basata sul DNA, il DNA contiene le informazioni, ma le molecole galleggiano in soluzione, " dice Ke. "La novità qui è che stiamo collegando le parti insieme in una macchina fisica".

Allo stesso modo, diversi laboratori hanno già realizzato macchine nanotecnologiche come pinzette e deambulatori dal DNA. Ke afferma che il lavoro del suo team con gli array di DNA fa luce su come costruire strutture con strutture più complesse, comportamenti dinamici.

Le strutture degli array sembrano cancelli di sicurezza retrattili a fisarmonica. L'estensione o la contrazione di un'unità spinge anche le unità vicine a cambiare forma, funzionando come una cascata di domino le cui tessere sono collegate.

Le unità degli array ottengono la loro stabilità dall'energia acquisita quando le doppie eliche del DNA si accumulano. Per essere stabile, i quattro segmenti delle unità possono essere allineati come coppie fianco a fianco in due diversi orientamenti. Tralasciando un filamento del DNA sul bordo di un array, gli ingegneri creano un trigger esterno. Quando quel filo viene aggiunto, stringe l'unità di bordo in una forma mutevole (vedi illustrazione).

Per visualizzare gli array di DNA, gli ingegneri hanno usato la microscopia a forza atomica. Hanno costruito array rettangolari 11x4 e 11x7, ha aggiunto trefoli di trigger e ha potuto osservare la propagazione della cascata dall'unità d'angolo al resto dell'array.

Le cascate degli array possono essere interrotte o riprese in posizioni selezionate progettando punti di interruzione negli array. Le conversioni di forma delle unità sono modulate dalla temperatura o dai denaturanti chimici.

Per riferimento, le matrici rettangolari sono larghe circa 50 nanometri e lunghe poche centinaia di nanometri - leggermente più piccole di un virus HIV o influenzale.

Per costruire le strutture dell'array di DNA, gli ingegneri hanno utilizzato sia gli origami (piegando un lungo filo "impalcatura" con centinaia di fili "fissati") sia approcci modulari in mattoni. Entrambi i tipi di array si autoassemblano attraverso i filamenti di DNA trovando i loro filamenti complementari in soluzione. L'approccio origami ha portato a strutture più stabili in condizioni di temperatura elevata o denaturante.

Nel Scienza carta, gli ingegneri hanno dimostrato di poter costruire rettangoli e tubi di unità array. Includono anche un cuboide che ha tre conformazioni di base, più delle unità array bidimensionali con due conformazioni. Ke dice che il suo team sta lavorando su più grandi, macchine più complesse con forme tridimensionali, che possono essere realizzati utilizzando gli stessi principi di progettazione di base.